“新工科”背景下單片機課程設(shè)計教學(xué)的改革研究

周 玉，周麗娟，朱文球，彭召意，楊振亞

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412008；2.湖南工業(yè)大學(xué)計算機與通信學(xué)院，湖南 株洲 412008）

0 引言

對于我國工程教育改革而言，建設(shè)與發(fā)展“新工科”應(yīng)滿足以國家新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展對工程科技人才的需求，培養(yǎng)適應(yīng)技術(shù)高速發(fā)展且滿足企業(yè)需求的工科人才是大勢所趨?！靶鹿た啤敝饕性陔娮有畔㈩?、電氣工程類、機械工程類、計算機類等多個專業(yè)。這些“新工科”專業(yè)具有的共同點是與現(xiàn)實工業(yè)結(jié)合密切，需要掌握和應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)來解決復(fù)雜的工程問題。

單片機課程是“新工科”建設(shè)的一門重要課程。單片機課程設(shè)計教學(xué)是單片機課程中的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。本論文針對目前高校單片機課程設(shè)計實踐教學(xué)存在的問題，提出以項目應(yīng)用為導(dǎo)向、網(wǎng)絡(luò)科技為手段的教學(xué)理念，改革課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，項目應(yīng)用貫穿所有實踐環(huán)節(jié)，采用工程項目模塊化的實驗教學(xué)，校企合作式的課程設(shè)計教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生在工程實踐中研發(fā)的綜合能力[1]，最終使學(xué)生達到基于“新工科”建設(shè)的單片機課程設(shè)計教學(xué)的培養(yǎng)要求。

1 單片機課程存在的問題

“新工科”的人才培養(yǎng)目標[2]對我們現(xiàn)行的單片機課程實踐教學(xué)提出了很高的要求，通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)理念和教學(xué)發(fā)展層次不一，理論教學(xué)發(fā)展較快而實踐教學(xué)相對滯后，存在重理論教學(xué)輕實踐教學(xué)的現(xiàn)象，單片機課程設(shè)計教學(xué)[2]不能跟上“新工科”建設(shè)的要求，存在的問題如下：

1.1 課程設(shè)計教學(xué)模式落后

（1）因開實驗箱或?qū)嶒灠鍞?shù)量不足，設(shè)計題目和內(nèi)容有限，無法充分考慮學(xué)生的個體差異[2]，難以做到所有選題都能很好地與工程問題切合。

（2）學(xué)生按照老師布置的任務(wù)[2]按部就班的實施，課設(shè)的難度較大，難以全面調(diào)動學(xué)生的積極性，也難以實現(xiàn)對學(xué)生團隊合作精神的培養(yǎng)。

（3）部分教師知識技能沒有跟緊“新工科”教學(xué)的發(fā)展，使得單片機課程設(shè)計課題陳舊，與實際工程應(yīng)用脫節(jié)[2]。

1.2 課程設(shè)計教學(xué)技術(shù)平臺落后

單片機實踐教學(xué)仍然是師生在實驗室中完成的落后方式，沒有建成虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，學(xué)生缺乏快捷獲取大量實踐知識的途徑，教師也無法通過平臺發(fā)布實踐課程的相關(guān)信息，不能實時指導(dǎo)學(xué)生。整個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)無法通過網(wǎng)絡(luò)科技手段執(zhí)行。

由于單片機課程設(shè)計教學(xué)整體落后，沒有形成符合“新工科”建設(shè)的教學(xué)體系，造成單片機課程設(shè)計教學(xué)與工程應(yīng)用脫節(jié)，不能達到“新工科”形勢下的人才培養(yǎng)要求。

2 課程教學(xué)目標的改進

教學(xué)改革首先要確定課程目標的改進。我校電氣工程專業(yè)正在進行工程教育專業(yè)認證的申報[3]，根據(jù)相應(yīng)要求，開設(shè)“單片機系統(tǒng)課程設(shè)計”支撐電氣工程專業(yè)畢業(yè)要求中的“問題分析”能力的培養(yǎng)[4]，即通過本課程課堂教學(xué)、軟件使用、課堂提問、答辯等教學(xué)環(huán)節(jié)的實施，使學(xué)生掌握單片機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計開發(fā)流程，使學(xué)生具備一定的專業(yè)知識，具有工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)能力。具體如下：

課程目標1：能夠針對復(fù)雜工程問題，選擇和使用恰當?shù)募夹g(shù)手段和現(xiàn)代工程工具[5]，進行系統(tǒng)的整體或單元設(shè)計，以滿足單元或系統(tǒng)設(shè)計要求，領(lǐng)會相關(guān)工具的局限性。培養(yǎng)學(xué)生自主的工程實踐學(xué)習(xí)能力，能夠識別復(fù)雜工程問題中所涉及的自然科學(xué)和工程科學(xué)的相關(guān)理論知識[6]，把復(fù)雜工程問題的單元或模塊分解以給出解決思路（指標點3.1）。

課程目標2：掌握和了解電氣新產(chǎn)品、新技術(shù)，能分析和評價所設(shè)計完成的開發(fā)應(yīng)用對社會、健康、安全、法律以及文化的影響[7（]指標點6.2）。

根據(jù)電氣工程及自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求3和畢業(yè)要求6，課程培養(yǎng)目標和畢業(yè)設(shè)計的對應(yīng)關(guān)系見表1[7]。

表1 課程目標與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系

3 單片機課程設(shè)計教學(xué)方案的改革

在單片機課程設(shè)計教學(xué)中，摒棄陳舊的教學(xué)方案，采用校企合作方式執(zhí)行，企業(yè)補充教學(xué)硬件資源并提供企業(yè)工程師，教學(xué)整個環(huán)節(jié)采用雙師制，由工程師和教師配合一起全程進行教學(xué)。同時加以項目內(nèi)容的改革和考核機制的改進，輔以虛擬仿真平臺支持，這種教學(xué)模式能較好地培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)知識解決實際工程問題的能力和團隊精神，達成課程設(shè)計的教學(xué)目標。實施方案如圖1所示。

圖1 課程設(shè)計教學(xué)模塊實施方案

3.1 把企業(yè)引入課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)

利用學(xué)校學(xué)院現(xiàn)有的企業(yè)實習(xí)基地，聯(lián)系對應(yīng)企業(yè)將企業(yè)引入課程設(shè)計教學(xué)。

該方案的優(yōu)勢是：利用企業(yè)資源部分解決實驗硬件不足的問題；通過企業(yè)補充實踐性較強的工程項目；通過企業(yè)提供實踐經(jīng)驗較強的工程師參與課程設(shè)計教學(xué)。

教學(xué)課堂采用雙師教學(xué)，即企業(yè)工程師和教師共同教學(xué)，確保課程設(shè)計項目密切結(jié)合實際的工程應(yīng)用，工程師和指導(dǎo)教師協(xié)作提供備選項目課題，全程進行學(xué)生的教學(xué)和指導(dǎo)工作。

3.2 實施項目內(nèi)容差異化

課程設(shè)計項目的選題應(yīng)力求綜合各專業(yè)課程知識，讓學(xué)生將所學(xué)的多門課程知識相融合，通過課程設(shè)計實踐，學(xué)生能夠有效地提高自身的綜合實踐能力。部分課程設(shè)計項目選題情況見表2，每個課題項目任務(wù)均不相同，完成課題需根據(jù)設(shè)計要求，進行整體方案設(shè)計，硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計。具體教學(xué)采用理論講授，集中指導(dǎo)，分組指導(dǎo)，單獨答疑等相結(jié)合的教學(xué)方法。課程設(shè)計項目設(shè)置差異化，具有在“新工科”背景下滿足行業(yè)需求的特色。

表2 部分單片機課程設(shè)計項目選題

項目的開展模擬開發(fā)團隊的工作模式，將學(xué)生以2～3人為一組，首先推選一位組長，由組長自行組隊，并安排隊員完成指定的任務(wù)。在組成團隊的過程，按能力情況將學(xué)生分為三個群組（基本/加強/高水平），安排學(xué)生選擇對應(yīng)級別的項目內(nèi)容，隨著教學(xué)進程的推進，允許學(xué)生根據(jù)情況，調(diào)整到高一級的團隊，或選擇高一級的項目。學(xué)生團隊化，項目差異化貫徹了以學(xué)生為中心，因材施教的原則。學(xué)生可以根據(jù)自身水平層次選擇合適的項目，既能保持學(xué)習(xí)興趣和熱情，又能克服困難提高項目實踐能力。這種良性的學(xué)習(xí)過程能夠鼓勵學(xué)生積極向上的精神，并且經(jīng)歷項目實施過程學(xué)生獲得了團隊共同協(xié)作完成項目的經(jīng)驗。

3.3 設(shè)計考核方法

單片機課程設(shè)計對每組同學(xué)采用答辯方式進行驗收考核。課程設(shè)計總成績?yōu)槠綍r成績、設(shè)計報告、設(shè)計運行和答辯之和，其中平時成績占10%，設(shè)計運行占40%，答辯成績占20%，設(shè)計報告占30%。答辯成績分由個人成績和團隊成績構(gòu)成。答辯過程中對每位同學(xué)都有不同的提問，答不出的問題，同組其他成員可以補充，并計入該組員的成績。團隊成績同時作為組長，組員的考評分之一。這種考核方式能夠較大范圍體現(xiàn)公平，既能讓優(yōu)秀的同學(xué)脫穎而出，又能讓不夠努力的學(xué)生得到同組的鞭策和幫助，有效地學(xué)到知識，得到提高。答辯環(huán)節(jié)也加強了學(xué)生團隊精神，培養(yǎng)了部分同學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)組織能力。

總成績采用五級記分制，折合標準為：90分以上為優(yōu)秀；80～89分為良好；70～79分為中等；60～69分為合格；60分（不含60分）以下為不合格。各考核環(huán)節(jié)與課程目標與成績比例分配情況見表3。

表3 課程目標考核方式及成績比例

3.4 建設(shè)單片機虛擬仿真平臺，擴展單片機課程設(shè)計實踐教學(xué)

（1）根據(jù)課程設(shè)計實踐教學(xué)的特點和需求，建設(shè)單片機課程虛擬仿真平臺，利用開發(fā)工具Proteus加網(wǎng)絡(luò)搭建單片機虛擬仿真平臺。Proteus具有強大的硬件電路設(shè)計和測試功能，并能根據(jù)項目的需求進行多種型號單片機的仿真調(diào)試。利用該平臺資源可以通過單片機接口電路設(shè)計、單片機控制設(shè)計和交互式模擬，使學(xué)生學(xué)習(xí)并參與完整的項目訓(xùn)練，能以虛擬仿真方式觀察系統(tǒng)的運行結(jié)果。整個過程學(xué)習(xí)形式豐富多樣，教學(xué)生動具體，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣增強，學(xué)習(xí)效率提高[8]，從而提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

（2）課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)都能得到平臺的資源，獲得技術(shù)支持。平臺上包括實踐課程設(shè)計介紹、軟件資源、講課視頻、項目課題、項目演示、課程設(shè)計項目指導(dǎo)、報告提交等等，對所有學(xué)生老師開放，便于課程設(shè)計的教學(xué)開展。

（3）通過虛擬仿真平臺實時教學(xué)，實時學(xué)習(xí)，擴展實踐教學(xué)內(nèi)容和時間。老師在課后通過網(wǎng)絡(luò)平臺加強對學(xué)生的交流和指導(dǎo)，實時掌握學(xué)生動態(tài)，調(diào)整上課的進度和方式[9]。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺實時進行單片機項目的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，也能及時了解課程教學(xué)的開課時間、線下教室地點，以便提前進行課程預(yù)習(xí)，掌握知識要點，及時提交課程學(xué)習(xí)報告。

4 教學(xué)效果分析

我院電氣工程專業(yè)在2021年已經(jīng)與廣州一家科技股份有限公司對接，引入該企業(yè)工程師，先在部分班級試點開展了單片機課程設(shè)計環(huán)節(jié)的教學(xué)改革。

2020年智能電網(wǎng)班進行常規(guī)課程設(shè)計，2021年智網(wǎng)2019級各班開始實施課程設(shè)計的部分教學(xué)改革舉措。試點班級進行分組項目選題，各組每天都有具體的任務(wù)，學(xué)生學(xué)習(xí)比較積極主動，課程設(shè)計后期分組進行了項目答辯并給出驗收考核成績；各班均由一位企業(yè)工程師和一位教師協(xié)同進行教學(xué)和管理。通過試點班級的教學(xué)改革，得到具體的教學(xué)效果數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。其中圖2為不同年級的成績統(tǒng)計（選取部分班級的成績）；圖3是不同年級成績的柱狀分析圖，通過成績的數(shù)據(jù)分析，普通班級的成績分布以80～89和70～79分 數(shù) 段 為 主，占 據(jù) 總 學(xué) 生 數(shù) 的74.42%；而進行改革的試點班級及格成績（60～69）的百分比下降到0，下降了11.63%；中等成績（70～79）的百分比下降到9.3%，下降了16.3%；良好成績（80～89）百分比上升到68.75%，提高了19.91%，優(yōu)秀成績（90以上）百分比上升到21.88%，提高了7.93%；最高分提高了2分。顯然試點班級的良好率和優(yōu)秀率均有較大幅度上升，試點班級教學(xué)效果有較大提高，學(xué)生的綜合實踐能力有了較大提高。

通過試點班級的教學(xué)改革，學(xué)生普遍提高了工程實踐應(yīng)用能力，增強了團隊合作精神，整體成績有較大幅度的提高，教學(xué)效果良好。教學(xué)改革的試點過程充分證實這種單片機課程設(shè)計的改革不但有較強的理論依據(jù)，而且具體實施也是切實可行的。

圖2 單片機課程設(shè)計成績年級統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)語

本文以單片機課程設(shè)計實踐為例，根據(jù)“新工科”建設(shè)的要求，通過分析高校單片機課程設(shè)計教學(xué)中存的問題，以我校電氣與信息工程學(xué)院的學(xué)生為改革對象，提出了合理的單片機課程設(shè)計實踐教學(xué)改革方案，該改革方案通過試點班級的展開，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有較大提高，實踐能力得到較大提升，教學(xué)改革取得良好效果，說明該改革方案構(gòu)建了符合“新工科”建設(shè)要求的單片機課程實踐教學(xué)模式，可以在更多教學(xué)班級范圍展開，以期達成“新工科”形勢下單片機課程實踐教學(xué)的目的。

圖3 不同年級成績柱狀分析結(jié)果